電子與電學

中二級

(學習資料)

第一章：直流電及交流電的種類及來源

學習目標：

- 認識直流電和交流電的特性

- 認識各種不同的發電方法

- 認識直流電的來源

現代的工業、商業、運輸、通訊設備及日常生活的電器，幾乎全是由電力公司的供電網絡提供的電力來推動。即使是利用直流電源工作的設備，如電視機、升降機等，都是先將交流電變換為直流電後才使用的，很明顯，交流電較直流電的用途更為廣泛，所以我們要認識甚麼是交流電及它的性質。

直流電(direct current)

我們可以用Crocodile Clips電腦軟件摸擬一個電池及電燈泡的電路，電路接駁方法如圖1.1所示，照電路中電流錶的指針顯示，電流是0.06A ，而電流由電池的正極流出，經過電燈泡流回電池的負極。這個電路接通後，任何時候，電流都是0.06A 。圖1.2所示就是這個電路的電流變化曲線圖，同時可以看出，電池供電電路的電流強度和方向不會因時間而有所變化，所以圖1.2又稱為電路電流的波形圖。

電流方向不因時間而有所變化的電流稱為直流電(direct current)，英文簡寫是D.C.。

圖1.2：電流變化曲線圖圖1.1：直流電路線路圖

交流電(alternating current)

交流電流即電流在導體或半導電體內週期性地反方向流動。香港家庭用戶使用的交流電頻率為50 赫(Hertz, Hz)，即電流每秒作50 次正負極的循環交替。

交流電的波形可以是正弦波(sine wave)的、方形波(square wave)或鋸齒形波(sawtooth wave)的，某些交流電的波形是不規則或複雜形狀。家庭用戶使用的交流電是正弦波，方形波或鋸齒形波的則由某些電子訊號產生器而產生，不規則波形則是聲波產生的。

交流電電源的電壓可以用變壓器改變，這樣電壓就可以在傳送或分配時提升或下調。在遠距離的傳送中，高電壓比低電壓在導電體內損耗的能量較少，故傳送效能較高。

交流電的電壓是不斷改變的。交流電的有效值(effective value)相當於在純電阻值中消耗相同能量的直流電壓。在一個正弦波中，有效值並不等於峰值(peak value)。有效值就相當於峰值乘以0.707 ，而峰值就等於有效值乘1.414 。由於交流電的電壓不斷改變，所以交流電的瞬時值(instantanous value)就是電壓在某個時間的數值。而交流電壓的平均值是指在其正半週中所有瞬時值的平均值。

圖1.3：交流電的瞬時值圖1.4：交流電的峰值

圖1.5：正弦波圖1.6：方形波圖1.7：鋸齒形波

不同種類的發電方法

太陽能發電(solar energy)

太陽能電力是由光電池(solar cell)所產生，但是單一個光電池只能產生少許的電量，所以太陽能電力站需要用很多塊光電池板組合而成。而其位置需設於大部份時間均為晴天的地方。以現時的效率，十七平方米的光電池大約可為一千人提供電力。因此在陽光足的地方就是設置太陽能發電廠的最佳選擇。

圖1.8：太陽能發電廠

核能發電(nuclear energy)

核能發電廠和煤、石油或天然氣的發電廠原理上並沒有多大分別，最主要的分別是在於核能發電廠是利用核分裂的方式產生熱，再製造出蒸氣。核分裂的意思就是原子受中子撞擊而分裂成細小的部份。

當原子互相碰撞及分裂時，它們的溫度便會上升，並產生熱能，發電廠就是利用這些熱能製造出蒸氣，蒸氣膨脹就會造成壓力推動發電機的渦輪轉動。

圖1.9：核能發電廠的結構

風力發電(wind power)

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圖1.10：風渦輪在不久之前，風力可以說是一種頗重要的發電源。在大風的地方，人們建造風車，並以此產生電力，他們用這些能量用作泵水、磨穀或進行其他工作。

但是，風並不易於控制，所以當廉價的石油開始普及化，大部份的風車就消失了。

現今的風車都是風渦輪機，設計目的是為了產生電力，風帶動接駁在發電機的渦輪，使發電機產生電流。

一個有效率的風渦輪需在不同的風力條件下都可產生電力，並要有足夠的強度抵抗雷暴所造成的破壞，而風力的發電成本是較石油發電為低。

水力發電(hydroelectric power)

水力發電是唯一不會耗盡的能源，水力發電即是利用流動的水(例如瀑布)而產生電能。電力產生出來後便要被用盡，所以水力發電廠的流水速度是由總電力的所需而決定。當水從水塘流出來後，便會流過一個末端裝有渦輪的水閘，水便會推動渦輪而產生電力。

圖1.11：水力發電廠的原理圖1.12：水力發電廠

煤發電(coal-fired power)

煤以前是產生家居熱能的主要能源。但在一九四零至五零年間，石油和天然氣就取代煤而被廣泛使用，因為這些燃料在燃燒時造成的污染會較少。

煤亦曾用作火車及船的燃料。燃燒煤所產生的熱可使水變成蒸氣，帶動蒸氣引擎，使火車或船可以開動。

圖1.13：煤發電廠

直流電的來源

直流電的來源主要來自幾個地方，分別是電池、電池組、轉接器及電源供應器。

電池(cell)

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圖1.14：不同大小的乾電池乾電池產生電力的途徑主要來自電池內物質的化學作用，電極和電解質的化學作用中產生了離子和自由電子，令兩個電極的電子數量都不同，因而產生了電位差。當乾電池接駁到電路之後，電池內的電子就會流過電路，推動各種元件。

電池組(battery)

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圖1.15：電池組乾電池能提供的電壓及電流是固定的，因此如果電器要求較高電壓才能開動的話，我們可以把幾個乾電池串聯起來，這樣便能輸出更高的總電壓。同樣地，如果電器要較大的電流才能開動，我們也可以把幾個乾電池並聯使用，輸出更大的電流。這樣把電池組合起來的電能輸出，就稱為電池組。

配接器(adapter)

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圖1.16：轉接器轉接器的主要功用是把交流電源轉為直流電源。如果用乾電池推動一些耗電量較高的電器，電力很快便會用光，這時候便最適合使用轉接器，把交流電轉接成源源不絕的直流電，轉接器就是我們俗稱的「火牛」。轉接器的結構是兩組線圈，利用電感效應轉接出適用的電
流及電壓。

電源供應器(power supply)

電源供應器也是轉接器的一種，不同之處是在於一個電源供應器中可以隨時選擇輸出不同的電壓。在實驗室中我們最常使用的一種電源供應器就是由1.5V 至12V 的。

雖然我們常用的直流電電壓及電流都很低，對我們造成的危險性不大，但如果使用不當，都會造成很嚴重的後果。

圖1.17：電源供應器

第二章：用電安全

學習目標：

- 認識電路的危險性，例如短路和漏電

- 學習保險絲、接地、漏電斷路器等安全電路

電路的危險性

短路(short circuit)

電器可能因為損壞而令電路的電阻大大減少，這個情況就稱為局部短路。在這個情況下，流經電路的電流便會變得非常大。如果整個本體發生短路，使電路的電阻等於零，便是完全短路。當短路時，電流往往會使電線溫度迅速升高，從而破壞電線的絕緣，嚴重的話可能會引起火災。

漏電(current leakage)

電器經過長時間的使用會因為老化、長期環境溫度過高或受潮等原因，使到電器的絕緣失效。如果這些壞掉的電線接觸到電器的金屬外殼，就會漏電。當人接觸到這些漏電的部份便會觸電，嚴重的話可引致死亡。

要預防電器漏電，我們應為電器接上地線，意外發生時也可以減低其嚴重性。

極性(polarity)

使用電池時，要注意電池正負極性的方向。如果在電池組裡有一枚電池的極性是相反的話，那在電池組的總電壓輸出便相等於減少了兩枚電池的電壓。在電壓降低的情況下，電器可能會不能開動。此外亦會對電池產生損害。

圖2.1：電池組裡有一枚電池倒轉極向時，電壓

輸出便會減低。電池的極向倒轉造成負電壓

安全電路的原理

接地(earthing)

如果電器內的絕緣部分有損壞，其金屬外殼及與相連的金屬，都有機會帶著高電壓。假若身體不慎接觸到這些電器的金屬外殼，便會觸電。

為防止觸電，所有電器都必須配上三腳插頭，而插頭上的地線應接駁到電器的金屬外殼或相連的金屬，這些就是保護接地(Protective Earthing)的裝置。

保護接地俗稱接水線，接地的意思是利用金屬導體把電器設備的金屬外殼與供電系統的接地線(水線)或接地體緊密地連接起來。

保險絲(fuse)

保險絲的主要部份是一條藏在瓷管或玻璃管裡的熔絲，由低熔點的鉛、錫合金等材料製成，當它的溫度上升至約攝氏 200 度時，就會自動熔斷。下圖是裝有保險絲作為過荷保護的電路，保險絲串聯在電路的火線上(即電流的源頭)，如果通過電路的電流超過保險絲的額定電流，熔絲便會自動熔斷，切斷電路。這樣，當電路過荷時，流入保險絲的電流應大於額定電流，使保險絲的熔絲熔斷，把電路切斷，從而達到保護電路的目的。

圖2.2：保險絲

漏電斷路器(earth leakage current breaker)

漏電斷路器簡稱ELCB，是一種能夠在電器發生漏電的時候，作出警告顯示和切斷電源的電力安全裝置。漏電斷路器必須與接地保護一起使用。如果電器發生漏電的情況，漏電電流就會以地線作為迴路，那麼流過斷路器內的火線和中線的電流便不相同，斷路器內的檢知器使開關斷開，從而切斷電路的電源。

小型電路斷路器(mini-circuit breaker)

小型電路斷路器又簡稱為MCB，它的作用是當電路短路或負荷過重的時候，能夠立刻切斷電源，產生短路保護或過荷保護。小型電路斷路器是應用電磁原理工作的過荷保護裝置，主要用於家庭供電系統上的電路。

在一個過荷的電器裡，如果燒掉保險絲，便要把燒掉的保險絲更換及作詳細檢查，電器才可重新使用。若以電路斷路器取代保險絲，便可免除更換保險絲的程序。

小型電路斷路器是一個電磁開關，由一個電磁鐵和兩個觸點組成。要使觸點接合，必須要用人手扳動；如果觸點分開就可利用人手扳動或電磁鐵啟動裝置使它們分開。電路斷路器的接駁方法和保險絲一樣，是串聯在電路的火線上，在使用時先扳下手柄觸點接合去接通電路。當流過電路斷路器的電流超出斷路器的額定值時，斷路器裡的電磁鐵便能產生足夠磁力吸引銜鐵而使兩觸點分開，從而切斷電路，達到保護的目的。要重新接通電路，只需把斷路器的手柄扳下，而無需更換保險絲。這就是斷路器比保險絲優勝的地方，但由於它的結構較複雜，所以成本較保險絲高。

圖2.3：小型電路斷路器

第三章：電子學的發展和應用

學習目標：

- 認識真空管、半導體、電晶體和微處理器等的基本結構

- 認識現代電子科技在社會的應用，例如雷達、人造衛星等

電子零件的基本結構

真空管(vacuum tube)

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圖3.1：真空管真空管的原理是陰極金屬板放射出電子，由另一端的陽極金屬板接收。一般來說，兩者之間會有一個柵極，用作控制真空管內的電流流動。以陰極電壓為0 V 作參考，陽極的電壓一般是數百個伏特(+V)，而柵極（鐵絲網）的電極正常來說是帶負伏特(-V)。

真空管分為直接加熱和間接加熱兩種。在加熱後，真空管的陰極會放射出電子。因為真空管需要時間加熱，才能運作，所以使用真空管的電器需要一段較長時間才能啟動。

半導體(semi-conductor)

半導體是由一些有少量載荷子的物質所組成。它們可以傳電，不過較金屬遜色。

低溫的半導體只有很少的載荷子，其電阻相對地較為高。當半導體的溫度上升時，電子從原子內釋出變成載荷子。溫度越高，就釋出越多電子，傳電能力也就更高，而電阻則相對地較低。

最常用的半導體是矽(silicon)。要使矽內的載荷子增加，可加入少許其他物質。由於加入不同雜質，矽可被分為兩種：一種是N 形矽；一種是P 形矽。

圖3.2：一般二極管的結構

電晶體(transistor)

晶體管由半導體所組成，通常分為兩種，分別是二極管及三極管。兩者的不同之處在於大家的P 形及N 形半導體的組合法。

二極管是半導體，利用它的單向導電特性，可以把交流電轉變為直流電，所以二極管又稱為整流子。二極管除了應用於整流之外，還應用於接收機的檢波段，作為檢波之用。

圖3.3：發光二極管的單向導電特性實驗

晶體三極管(semi-conductor triode 或transistor)簡稱晶體管或電晶體，也是一種用半導體製成的半導體器件(semi-conductor device)。和二極管不同之處是在於三極管有兩個PN 結(P 形半導體及N 形半導體之間的交界)和三個電極。它有放大電信號的功能，是放大電路中的主要元件。

圖3.4：NPN 和 PNP 電晶體的電路符號

積體電路(integrated circuit)

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圖3.6：顯微鏡中的積體電路積體電路是建立在一塊半導體或絕緣體上的細小電路。電路的元件大部份是由晶體管、電容及電阻組成。電路能執行一個特定的功能，例如放大電流或儲存訊息，也可以用軟件改變電路的功能，組合成更繁複的系統，例如微型電腦系統、電子遊戲或流動電話。今天，幾乎在每個電子系統中都可找到積體電路。從計算飛彈航道的強力的電腦，到個人電腦、汽車、手提收音機、電子錶及多士爐中，都可找到積體電路。

微型電腦(micro-computer)

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圖3.7：掌上型電腦在現今的社會中，幾乎每個家庭都有一部電腦。微型電腦的中央處理器由數十萬個積體電路組成，每個電路負責不同的功能。例如計算、資料儲存、資料傳送及輸出等，都由不同的積體電路所組成。

我們透過微型電腦的各種輸入裝置(如鍵盤)輸入資料後，資料會先被傳送到中央處理器作分析。分析後，中央處理器會根據所傳入的資料控制電腦的不同元件，例如控制顯示卡顯示所鍵入的資料，或是控制記憶體把資料先行儲存等工作。因此，我們雖然只是坐在微型電腦前用指頭按幾下，但實際卻是操控著數以百萬計的電晶體及積體電路進行不同的工作。

微處理機(microprocessor)

微處理機是最小、最便宜的數位電腦，卻具有計算機基本的特性。它可用標準的數位積體電路組成。雖然微處理機的性能比起微型電腦相差甚多，限制也多，但它仍不失為很強勁的元件。對於無法採購微型電腦的應用中，它可充分發揮電腦技術的能力。

微處理機適用於執行特定功能。這種裝置可裝入電子設備中，作為特殊用途之用。如交通號誌控制器、電子秤、收銀機、電動玩具等的特定應用。此外，工程師也利用廉價的微處理器代替數位邏輯。用微處理機設計數位系統可使設計時間與成本大為降低。如果一個設計需要三十個以上的標準積體電路，則可以考慮用微處理機來代替，這樣會更經濟。

認識現代電子科技在社會的應用

電腦科技(computer)

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圖3.8：電子學和電腦科技的關係是息息相關的電腦科技是和電子學息息相關的。電子學科技不斷發展，從以前的真空管發展至現在的半導體。半導體可以製出各式各樣的電子零件，我們利用不同組合的半導體製成電晶體，而電晶體可以放大電路中的電子訊號。其後經過科學家的努力研究下，終於把電路中的各種零件放到一片矽中，這就是積體電路。積體電路的體積比一般電路更細小，以現今的科技，一方寸的面積內可以容納數十萬個積體電路。這些積體電路互相組合成為電腦，所以電子學對電腦科技有著深遠的影響。

雷達(radar)

日常生活中，有很多地方都會使用雷達。例如機場使用雷達追縱在地上或空中的飛機，指引它們安全著陸；警察使用雷達偵查路面車輛的速度；太空總署使用雷達繪畫地球的表面圖，也用它來監察衛星和太空站的位置；氣象站使用雷達追縱雷暴、颶風及龍捲風的去向。由此可見，雷達這種高科技的電子儀器在日常生活中受到廣泛的利用。

人造衛星(satellite)

此外，衛星都是日常生活中常使用的高科技儀器。我們每天扭開電視收看的電視節目，很多都依靠衛星從另一個國家傳送到我們家中。漁民於大海航行時，都會使用衛星導航，因為衛星導航比傳統的羅盤更能準確地表示出船隻的位置。另外，衛星更可用作通訊之用，當安裝望遠鏡之後更可觀察地球表面的情況。

圖3.10：氣象衛星拍攝得到的氣象圖片

第四章無線電傳送基本概念

學習目標：

- 認識何謂電波

- 了解電波的傳送方法

- 認識無線電通訊系統的基本結構

- 學習調變和雜訊的原理

電波

我們知道，收音機中的聲音是由無線電波(radio wave)傳播而來的。波(wave)是傳播能量的一種形式，例如在一個平靜的水面上浮著一片葉子，這時葉子是停著的，如果我們把一顆石子投進水裡，水面上立即會泛起水波紋，一圈一圈的向四面傳播，這塊葉子就隨著水的波紋上下起伏。同樣的道理，電波也就是傳播電能的，因為不用導線來傳輸的，故稱為無線電波。

無線電波能傳播哪一些電能呢？凡是一切能放射的電能都可由無線電波傳播到空間裡去。哪些電能可以放射呢？凡是每秒一萬週以上的交流電能都是比較容易放射的。週率越高的電能就越易放射，因為放射和接收都是依靠電磁的作用，所以無線電波是電磁波的一種。

無線電波在空中傳播的速度是非常快速的，它和光速一樣高達每秒鐘三十萬公里，這個長度等於環繞地球約七圈半的距離。所以無線電波一經發射，人們立即可在收音機中收到，就好像老遠的火光一閃，人們馬上就可看到一樣。

無線電波發射出去以後，一部份沿著地面傳播的，稱為地波；另一部份向著天空進行的，稱為天波。當地波沿著地面進行傳播時，因泥土對無線地波起著消耗作用，所以廣播電台發射出來的電波，中波段的地波部份，只能達到八十公里至三百公里遠的地區；短波段的地波只能達到二十公里至三十公里遠的地區。當然，電功率強大的電台，不論中波或短波，地波的傳播距離都要遠些。

地波離開電台越遠，能量越弱，就好像石子投進水中，水波越遠，波浪越弱一樣。此外，地波沿路碰到的障礙物越多，電波就越容易削弱；若碰到了金屬或金屬網，電波就會被阻擋住。

無線電波的傳送

在太陽光中紫外線的作用下，離開地面六十公里處的氣體就被電離，也就是使這些氣體中的電子擺脫了原子核的吸引作用，成為自由自在的自由電子。因此，在這一氣層中充滿著電子，它就成為電離層。離開地面很高的地方，由於大氣稀薄，電子數量不多，電離層的密度就不大。接近地面的大氣，雖然很稠密，可是太陽光線的能量經過上層大氣的吸收，到了下層，對氣體分子的作用已很微弱，不能使他們電離，因此靠近地面約五十公里以內的範圍，就不屬於電離層。

圖4.1：無線電波的傳送

那麼，天波和電離層有什麼關係呢？可能你會覺得天波向天空發射，是不會反射回來的呢？其實不是的，它會反射下來的。因為離開地面以上大約五、六十公里至八、九百公里的空際，有一層帶電的大氣層叫電離層，它能把一部份的電波反射下來，使它回到地面，就好像鏡子把光線反射回來一樣。但是也有一部份電波被電離層吸收了，又有一部份電波穿過電離層一直向上跑掉了。經過電離層反射下來的電波，已不像原來那樣強。它碰到了地面，又會反射上去，接著又被電離層第二次反射下來。這樣循環進行，一直到電波的能量全部被消耗掉為止。

無線電通信系統基本架構

一般而言，無線電通信系統是由訊息源、傳送器、通道(雜訊)接收器及受信端所組成的。

圖4.2：無線電通信系統的方塊圖

其中訊息源泛指任何能產生或選擇信息，資訊的來源，而傳送器主要在將信息，作適當編碼或調變以使訊息適合作長距離傳輸。通道指的是傳送器之輸出信號的傳輸至接收端的媒介，可能是導線或者可供電磁波傳播的空間等。通常信號在通道傳輸，多少都會受到外在能量(即雜訊)的干擾，使得信號因而失真。

下圖是一典型無線電傳送器(發射器)的方塊圖供參考：

圖4.3：無線電傳送器(發射器)的方塊圖

而接收器的功能恰與傳送器相反，即作解碼或解調變的工作。而受信端為接收器的輸出端或輸出目的地。

調變

一般低頻的信息訊號尤其聲音訊號作無線傳輸者，不適合作直接信號發射，原因有二：

(1)例如一般聲頻信號頻率於20Hz~20KHz之間，欲作有效率的發射與接收，以實用的四分之一波長天線而言，天線長度會超過3000公尺以上，顯然，如此長的垂直天線不太實用。

(2)由於一般聲頻信號頻率接近，若不同來源的聲頻信號一起發射，則所有信號不但不容易區隔開來更容易混合在一起。因此調變即在克服上述二問題其作法是將傳送的聲頻或低頻信號加上不同高頻載波，使得輸出的合成射頻信號其波幅，頻率或相位任一，依信號電壓大小而變化，再發射出去。則既可縮短天線有效長度，又可區隔開不同來源的信號。

如前所述，經調變後的輸出合成射頻信號其波幅若依信號電壓大小而變化者，稱之為調幅(Amplitude Modulation,AM)若頻率變化者稱之為調頻(Frequency Modulation,FM)若相位變化者稱之為調相(Phase Modulation,PM)。

信號在傳送或發射前要進行調變，在接收後則要進行所謂解調(Demodulation)，以將收到的調變波其中的射頻載波成份去除才可使聲頻信號重現，故解調可視為調變的逆過程。

雜訊

信號在傳輸過程，多少都會受到一些不需要的額外能量的干擾，此額外能量即是所謂的雜訊(Noise)。雜訊的干擾，通常都會造成信號的失真，其來源除了來自系統外部，亦有可能由接收系統本身產生。

以外在雜訊來源而言，雜訊主要來自大氣層、外太空以及人為雜訊。大氣層雜訊最常見的是由雷電，或大氣層電荷干擾所形成的脈波式雜訊，此類的雜訊的強度一般隨著傳送信號頻率的增加而減少。其原因有二：原因一是愈高頻頻率信號之傳播是屬於『視距傳播』(Line Of Sight)，較不易受其影響。其次，此種脈波式的雜訊其本身頻率就絕少產生在VHF或更高波段。通常30MHz以上信號頻率，即不易受此種雜訊之干擾。而外太空雜訊來源主要來自太陽，眾所皆知，太陽為一極高溫的發熱體，會輻射各種不同頻率的能量至地球，形成雜訊干擾。此種雜訊干擾強度最強發生在太陽本身週期性活動的高峰期，即所謂『太陽黑子運動期』其產生雜訊強度會比平常遽增數倍。其干擾範圍約介於20MHz至120MHz之間而人為產生的雜訊來源如汽機車、飛機的點火系統、電動機、交換式設備，高壓電纜線以及利用電弧放電的螢光燈等。此種雜訊干擾範圍介於1至600MHz。

內部雜訊來源甚多，主要是所謂的熱雜訊(Thermal Noise或White Noise)。此種雜訊的來源來自電阻性元件內部電子移動隨機所生的，其強度與電阻的環境絕對溫度成正比。此種雜訊之存在可由下列實驗得知：將一未連接任何電源的一般電阻置在室溫環境中，一般咸信，此電阻應是量測不到任何電壓值才對，但不用直流電壓表而以一精密電子電壓表則可量測到存在有電壓值，且其為一隨機值。

無論外在或內部雜訊，雜訊強度通常都是與信號頻寬成正比。換言之，信號頻寬愈寬，所受干擾強度愈大，在通信系統中，常以所謂的訊號強度對雜訊強度比(Signal-To-Noise Ratio,S/N比)來比較兩個系統之優劣或評估雜訊強度的影響。

第五章家居電器、供電系統及印刷電路板

學習目標：

- 認識電力供應系統的結構

- 認識供電系統的相位

- 認識家居電器的結構

- 認識印刷電路板

- 學會製造印刷電路板

電力供應系統

文字方塊:
圖5.1：電力塔我們家裡所用的電力都是由發電廠的發電機發出來的，然後經輸送電纜傳送至各主電力分站，再由電力分站輸送到各家庭及用電的地方。

整個電力供應系統由發電廠到用電的地方，可分為三個階段：發電、輸電和配電。

供電系統的相位

電力公司的發電機會同時產生三個交流電源，由三條電線傳送到各幢大廈。如果把它們同時供給用戶使用，這種供電方法稱為三相三線供電，如果三相供電的網絡包括了中線，則稱為三相四線供電，但當電力公司只供給用戶其中一相(單一個交流電源)的電力，就稱為單相供電。

電力由發電廠傳送至各主電力分站，再由主電力分站按各區的需求調配電力至各分區的電力分站及各住宅大廈的變壓房。如果大廈的用電量大，便需要有獨立的電力變壓設備，否則，數座大廈共用一組變壓設備，就會很容易引起電力故障。

為了提高大廈使用三相電力的效率，三相供電的每一相電力必須適當地分配給各層用戶，例如某幾層的樓房用第一相，另外幾層用第二相，如此類推。

圖5.2：三相交流電的波形圖

家居電器結構

市面上有各式各樣的電器，每種電器都有不同的功能。例如電風扇及冷氣機可以為夏天帶來涼快的環境，電飯煲及微波爐可以煮食等。

文字方塊:
圖5.3：電器插頭的三個觸點不同的電器有不同的結構，但它們都是從市電插座中直接取電。一般的電插頭有三個觸點，俗稱「腳」，三個觸點分別是火線(Live)、中線(Neutral)及水線(Earth)。火線主要為電器提供交流電力，開關掣會置於火線上，而中線則是電器線路的回路。水線則接駁了電器的金屬殼，以免我們觸及電器漏電的地方而受傷。

印刷電路板

印刷電路板簡稱為PCB(Printed Circuit Board)，是一塊有銅箔的絕緣板，銅箔的厚度一般為35mm ，而絕緣板的厚度大約為1.3mm ，按絕緣板的材料，印刷電路板(PCB)又可分為紙基材環氧樹脂(棕色)PCB 和玻璃纖維PCB 。

印刷電路是在PCB 上印刷所得的電路，所印刷的一般是導線。與普通導線相比，印刷電路體積小、裝配工序簡單、安裝效率提高及增加電路工作的可靠性。但它也有缺點，例如銲接在PCB 上的電子零件不能多次拆出，製板亦較困難，而且小量生產時價格也較昂貴。印刷電路上除了印刷的導線之外，也有印刷的元件，但工藝較為複雜。印刷導線的製作方法已發展為雙面印刷及多層印刷，這更能符合複雜電路的要求。

圖5.4：玻璃纖維PCB

常用的印刷電路方法稱為腐蝕銅箔法。先在白紙上畫出印刷電路底圖，印刷電路底圖上的線條及線孔可用墨塗或用移印紙移印，然後用照相法製成菲林。另在敷有銅箔一面的PCB 上塗上感光劑，再用燈光透過菲林照射在PCB上，使PCB 上沒有菲林暗影的地方受感光而成為保護層，然後把感光後的PCB 浸在三氯化鐵溶液中蝕刻。這樣，沒有保護層的銅箔便被腐蝕掉，而有保護層的銅箔便保留下來。如果把蝕刻後PCB 上的保護層除去，銅箔線條就顯露出來。在線孔位置上鑽孔，就可以進行電路元件焊接安裝了。如果要求不高，可免除晒相方法，改而用防蝕劑按印刷電路底圖繪製在PCB 銅箔上，然後浸在三氯化鐵溶液中蝕刻。

為避免保護層在蝕刻時剝落，PCB 銅箔必須先作清潔處理，利用細砂紙除去表面的油漬、污垢或銅箔保護氧化箔等。

繪製印刷電路底圖時，需要經過細密的考慮，才能畫出較合理的印刷電路底圖。下面展示出兩個串聯電阻的印刷電路底圖，兩個電路雖然相同，但是電路的畫法卻不一樣。

圖5.5：印刷電路板的底圖畫法

第六章工場的安全措施

學習目標：

- 學會操作線鋸床、屈膠機、摺床

- 認識焊接、量度和高電壓的安全問題

線鋸床(Jigsaw)

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圖6.1：線鋸床線鋸床(Jigsaw)和帶鋸床的原理相若，不同之處就是它們所用的鋸片及拉鋸方式。線鋸床使用的鋸片是線鋸片，是條狀的鋸片，但不如一般鋸片那麼闊。因為使用普通的鋸片只可以在工件上切割直線，而線鋸片就可以在工件上切割出更複雜的曲線，有更大的自由度。至於兩種機器的拉鋸方式也很不同。帶鋸床所使用的環式鋸片是單方向循環轉動的，而線鋸床的線鋸片則是上下拉動。一些線鋸床亦會使用環式鋸片，但它們的體積也較大。

虎鉗(Vice)

虎鉗用來夾持工件及將工件銼、鋸、鑿、鉸孔、攻絲、鉸絲、裝拆零件及彎折薄金屬等。虎鉗一般都安裝在工作台邊緣，並位於操作者之肘部彎曲垂直後的高度或稍低位置，使長工件能沿著工作台邊緣夾持。

(2) 使用虎鉗時應注意事項：

- 夾緊工件時，不可在手柄套上管子或以手鎚敲打。

- 若工件過大時，不可勉強用虎鉗夾持。

- 若工件過長時，需另以支架扶持，避免鉗口過份受壓。

- 當夾持已加工的工件或表面是軟質材料時，鉗口應套上軟金屬鉗口片，以免弄壞工件。鉗口片應以鋁片或銅片製成。

- 虎鉗鉗口不可當做鐵砧使用。固定鉗口的後方設有小鐵砧。

- 使用前後以布擦拭乾淨，螺桿部分需經常注入潤滑油。

圖6.2：虎鉗的結構

鑽床(Drilling machine)

圖6.7：鑽床的各部份(1.床台 2.進刀導輪 3.變速導輪 4.床柱)

鑽孔的主要工作是攻絲、鉸孔及搪孔等，鑽孔操作雖然簡便，但加工工件的形狀大小及精度各有不同，故使用鑽床的形式也各有不同。

鑽床是最簡便快速的工具機，主要用於小零件之鑽孔，鑽孔時以手進刀，可感覺鑽頭上所承受的切削力。鑽床主要是由傳動機構、主軸與進刀機構、床柱、床台及床座組合而成的。

1. 床台：置於床間，為了配合工件之大小，床台可作上下調整或左右旋轉，使鑽頭可以對準工件。

2. 床座：可支持整個鑽床部位，如將床台轉偏更可替較大型的工件鑽孔。

屈膠機

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圖6.16：屈膠機屈膠機使用方法：

1. 按動開關掣，見指示燈亮起，即表示機
器已被啟動。

2. 將溫度調節器調較至適合的熱度，如：
使用手板膠時，溫度應調低；而使用亞加力膠時則調高。

3. 等候機器加熱至預定溫度。(約兩分鐘時間)

4. 將工件放在托架的中央位置。

5. 待工件軟化後，即可將它屈曲成所需的形狀，亦可利用模板輔助。

6. 固定好形狀，即可放置一旁待它冷卻。

7. 如不滿意，可將工件放回托架上再軟化、再塑形。

8. 使用完便關上電源。

安全守則：

- 不使用時應關上電源。

- 開始時不宜將溫度調節器調至太高，以免傷了工件。

- 不要用手或任何身體部份直接接觸發熱面。

- 屈曲工件時，應戴上防熱手套和使用防熱夾。

摺床(屈鐵機)

摺床(屈鐵機)使用方法：

1. 接駁電源。

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圖6.17：手動屈鐵機 2. 於工件上先就所需屈曲的角度畫上輔助線。

3. 將工件放在托架上。

4. 按動兩邊開關掣。

5. 工件隨即成形。

6. 使用完便關上電源。

安全守則：

- 不使用時應關上電源。

- 金屬工件經過屈摺後會較鋒利，接觸時應戴上手套。

- 如有意外，應立即關上電源掣。

焊接、量度和高電壓的安全問題

我們知道，電路是由若干電子元件及導線連接而成的，元件間的連接是為了完成一條電路。因此，電器連接是電路製作不可缺少的工藝過程。通過加熱的方法，把焊料覆蓋在接點表面，待焊料冷卻後電路便能連接，這種連接方法稱為焊接(soldering)。

圖6.18：電烙鐵

在焊接時，由於電烙鐵的溫度高達350℃，所以不要把塑膠等易熔物品放置在電烙鐵附近，以免物品溶化黏在電烙鐵上。此外，更不可把玩電烙鐵，因為電烙鐵的高溫會灼傷皮膚，是十分危險的。

使用萬用電錶(multimeter)的安全事項

通常會使用萬用電錶量度工件上的各個元件，測量前要先檢查電錶指針是否指示在零位置，如有偏離需要慢慢轉動調整鈕，使指示針回到零的位置。

電錶故障的原因有很多，其中有過電流引起的。若過電流發生時，便要仔細檢查變換測量檔位，如果上下檔位切錯，大致不會發生故障。但如果我們把電流計錯誤並聯在電路上，那電流錶的電路就會流入數十倍到數百倍以上的電流，電錶便會在瞬間燒毀。雖然可以在電錶中設置保護裝置及有線路斷路器。但一旦發生過載便會使電錶的壽命縮短，最好還是避免為上。因此測量前，請務必注意檢查測量的量限。

圖6.19：指針式萬用電錶

第七章電子儀器的使用

學習目標：

- 學會檢查失去功能裝置的正確步驟

- 認識邏輯探針的使用方法

- 學會使用萬用電錶分辨和電晶體

直流電路和應用

從以上的電路圖中，流過燈泡的電流是單一方向的，因此這是直流電流。因為提供電力的電池一直維持相同的極向及穩定的電流輸出，所以電流的流向是一直不變的。

直流電路的特點就是電路中的電荷流動方向一致，而且兩個電極是有固定的極向。實際上，電流可以是正電荷或負電荷的流動，但無論是哪種電荷的移動，電荷都是向同一方向流動。直流電的輸出電壓可以改變，但極性始終沒變，所以電路內的電流只會向一個方向流動。

由於直流電路有以上的特點，而乾電池又是一種方便的直流電源，所以電路多用於簡單的電器中，例如手電筒、時鐘、手提電風扇等小形電器等。

圖7.1：簡單的直流電路

電源供應器

電源供應器基本上分為三個部份，分別為輸出端、輸入端及調節端。右頁附圖是一個直流電源供應器的電路圖，電路本身不僅有高性能的穩壓電路，而且還具有過熱保護及過流保護電路。它的優點是既簡單又方便使用。

圖7.2：電源供應器的三個主要部份

運用正確步驟檢查失去功能的裝置

觀察法

通常會有幾種原因令到電子線路失去功能，簡單的問題可以用眼看見，例如零件因為電流過大燒壞，我們就可以從線路板上找出燒焦的電子零件更換，並檢查其他電子零件，因為如果過大的話，有可能整條電路的零件都發生問題。

功能法

大部份故障電路中，即使使用觀察法都未能找出有問題的電子零件，我們需要使用萬用電錶測量每一個電子零件。每種電子零件的測量方法都不同，例如要測量一個二極管的功能時，我們要先把電錶旋鈕轉到電阻的最高量限，然後將紅測試棒接觸二極管有標示垂直縱線之一端，另黑測棒接觸在相反接腳，並觀看這時指針有否偏轉，如有偏轉即說明正常。接著把測試棒反接前面測試，若發現電錶指針不偏轉為正常。經過兩種測試皆屬正常的話零件才算正常。

認識邏輯探針的使用方法

邏輯探針的基本功用是探測邏輯電路中各元件的訊號狀態。右圖是用Crocodile Clips 軟件製作的邏輯探針，而旁邊的電路就代表在邏輯電路中高或低的訊號。按動電路中的按鈕就能轉變訊號狀態，把訊號由邏輯1轉成邏輯0或邏輯0轉成邏輯1。

要探測電路中的邏輯狀態，我們可以把探針(probe)連接到電路中想要探測的地方。如果探測點正處於邏輯狀態 1 ，電路中的電流就會流入探針。

由於探針的電路由兩顆發光二極管組成，所以電流方向就只有一個。電路的電流就流入探針的紅色發光二極管使它發亮，再流經電阻流到0V 的地點。

相反如果電路處於邏輯0 ，探針中的電流就從5V 處流出經過電阻，再流經綠色發光二極管使二極管發亮，最後再經過探針流到電路0V 的位置。

從以上兩種情況，我們就知道當電路處於邏輯0 狀態時，綠色發光二極管就會發亮；相反若電路處於邏輯1 的狀態時，紅色發光二極管就會發亮。

圖7.3：邏輯探針的基本線路

萬用電錶的使用

將三種基本電錶(電壓錶、電流錶和歐姆錶)合併在一個機體中稱為萬用電錶。一方面可以節省成本，一方面增進便利性，而且攜帶方便。

直流電壓的測量

使用萬用電錶測量直流電壓時，選擇開關器應撥到直流電壓DCV 的範圍內，檔位選用原則不但是所用電壓檔位一定要大於待測電壓，而且要使指針能作大幅度的偏轉。因為直流電壓有正負極性，所以測試時必需注意其極性。紅色測試棒一定要接在待測電壓的正極，黑色測試棒則接在負極，如果極性弄錯，指針就會倒轉移動。

要測量乾電池的電壓，首先將電用電錶的旋鈕置於比DC1.5V 稍大的位置(例如3V )。再將萬用電錶的紅色測試棒接在乾電池的正極，黑色測試棒接在乾電池的負極。在刻度上，讀取適當的DCV 刻度線(如旋扭在3V 的位置，則讀取3V 或30V 的刻度線)，刻度值約為15 ，換算後等於1.5V 。

圖7.4：指針式電流錶的讀數方法

直流電流的測量

測量直流電流時，開關器應撥在直流電流DCmA 檔位中。先把選擇開關器撥至DCmA 的最大電流檔，若待測之電流值太小而不易讀出指示值的話，那便將選擇開關器撥至較低的適當檔位，以便讀取正確的指示值。

由於測量電流時，電錶必須和電路串聯，所以先要把電路中待測電流之點切斷，然後串入電錶。因為使用上較繁複，故不常採用。如在電路上需測量直流電流時，多採用間接的方法。就是利用電壓檔測出電阻上的電壓降，再算出流通電阻上的電流值。

分辨電晶體材料(鍺或矽)

1. 將電表撥在R×1檔，並做零歐姆調整。

2. 將測試棒分別對調來測量電晶體的三腳。

3. 會有一支接腳與其他兩支接腳成單嚮導通如圖所示。

4. 導通時電表指針若指在LV刻度0.7V的地方，則這只電晶體材料是矽，若指在LV刻度0.3V的地方，則這只電晶體材料是鍺。

分辨電晶體型態(PNP 或 NPN)

1. 將電表撥在R×1檔或R×1檔，並做零歐姆調整。

2. 將測試棒分別對調來測量電晶體的三腳。

3. 會有一支接腳與其他兩支接腳成單向導通如圖所示。

4. 如果不動的接腳是黑棒(即為P型)，則這只電晶體是NPN型，反之是紅棒(即為N型)，則這只電晶體是PNP型。

辨別電晶體E、B、C各腳

1. 將電表撥到 R×1 檔, 做零Ω調整。

2. 將電表的量測, 找出正反都不會導通的那兩支腳, 即是E、C , 而另一支腳即為B腳。

3. 將電表的黑棒接B, 而以紅棒分別接另外兩支腳, 如果指針都會動, 表示這個電晶體是NPN 型, 若指針都不會動, 將三用電表的測試棒反接, 用紅棒接B, 而以黑棒分別接另外兩支腳, 指針必定會動, 表示這電晶體是PNP 型。

判斷電晶體的好壞

圖7.5：辨別電晶體的好壞

1. 利用上述方法測試，確定其為矽質NPN 電晶體，且找出B 極。

2. 將三用電表紅測試棒接NPN 電晶體的E 極，黑棒測試接C 極，再用手指同時按住B、C 兩極，如下圖所示，電表內乾電池的正電壓經手指間的電阻降壓以後再加到B 極，所以這時電晶體偏壓的情況最負，B 比E 正，而C 比B 更正，所以電晶體被加了順向偏壓，電晶的C-E 間導通，電表的指針偏轉。

3. 將B 極放開，這時電晶體的C-E 極就不導通電表指針回到原位，如果把手指放開，電晶體仍是導通的，就表示電晶體損壞。

4. 判別電晶體的E、C 可以把B 極以外的另兩支腳分別假設任一支為E，而另一支為C，利用第二條的方法測試，若指針不動，表示假設錯誤，將E、C 倒過來再測一次。

5. 有時利用電表的R×1 檔並不能測出電晶體的E、C 極，這時要把電表改撥到 R×100 再做測試。

第八章基本電子元件

學習目標：

- 認識一些基本電子元件如二極管、電晶體、變壓器和繼電器等

- 認識一些感應電子元件如光敏電阻、熱敏電阻和發光二極管等

二極管(diode)

二極管是最簡單的半導體件。半導體二極管的基本結構就是由一個P 形一個N 形半導體組成，在構成PN 結的P 形半導體及N 形半導體兩端各裝引線作為二極管的兩個電極。

一般二極管的陽極稱為正極，而陰極稱為負極。因為空氣和光線都會影響二極管的運作，所以二極管通常會裝上一個堅硬而不透明的外殼。

當電源正極與二極管陽極相接時，二極管發亮；當電源負極與二極管陽極相接時，二極管則不亮。二極管只允許某一方向的電流通過，而不允許相反方向的電流通過，這個特性稱為單向導電特性(unidirectional conduction)。

圖8.1：利用二極管製作整流電路

電晶體(transistor)

電晶體是由兩個互相背向的PN 結組成的，PN 結是一個P 形及N 形半導體的組合。電晶體有PNP 型和NPN 型。無論PNP 型或是NPN 型的電晶體，在結構上都具有以下的特點：

1)雖然發射區和集電區所用的半導體材料相同，但發射區摻入的雜質濃度較高，而集區摻入的雜質濃度較低，因此發射區和集電區不可任意倒換。

2)集電結的接合界面面積比發射結的大。

3)基區的厚度很薄，一般在一至幾十微米，摻入雜質濃度很低，只有發射區厚度的百分之五左右。

變壓器(transformer)

變壓器是一個能把交流電的電壓升高或降低而保持頻率不變的一件裝置。而交流電比直流電應用廣泛，其中一個重要原因就是交流電可以通過變壓器來改變其電壓。這樣，一方面交流電可以符合各種不同電壓要求的電器；另一方面，高壓的交流電可作遠距離輸送，減少電力的損耗。

圖8.2：變壓器的基本結構圖8.3：變壓器的電路符號

上圖是變壓器的基本結構和符號。一般來說我們把連接交流電壓的一個繞組稱為初級繞組(primary winding)；而把連接負載的一個繞組稱為次級繞組(secondary winding)。

變壓器的鐵心大多數用導磁性能良好的鋼片疊成，鐵心的形狀分別有日字形和口字形，而變壓器的繞組是用漆皮線繞成的。一般來說，變壓器的銅線是先繞成鐵心的形狀，然後再套在鐵心上。

當變壓器初級繞組接上交流電源時，初級繞組就有交流電流通過，並產生磁場，磁場通過鐵心穿過次級繞組。根據電磁感應定律，變化的磁通(magnetic flux)在兩繞組上引起感應電動勢。此時如果在次級繞組接上負載，便有電流通過負載。因應初級繞組及次級繞組線圈數量的比例，原本的交流電就能轉換為不同電壓的電源，滿足各種電器設備不同電壓的要求。

繼電器(relay)

繼電器是應用電磁鐵的原理來工作的器件，它的線圈內有一定的電感量，因此當它接上電源時，通過線圈的電流需要一定的時間才能達到穩定值，也就是說，繼電器不會在接上電源的一瞬間立即啟動，而需要待電流完成增長過程後才開始工作。同樣，當電源關掉後，繼電器亦需要經過一定的時間才停止工作。

因此在接上繼電器的電源後，電磁鐵不會馬上觸動開關。而是等一會後繼電器才會啟動內置的開關，切換電路。

圖8.4：繼電器

光敏電阻(light dependent resistor)

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圖8.5：光敏電阻光敏電阻器主要由硫化鎘(CdS)等材料製成，這些材料有一個特點，就是當受到光線照射之後，它的電阻值會降低。因為光能使材料裡的電子脫離原子成為自由電子，電子的增加提高了材料的導電性，它的電阻便會下降。

熱敏電阻(thermistor)

熱敏電阻器是一種對溫度十分敏感的電阻元件，它的阻值會隨著溫度的改變而有所變化。

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圖8.6：熱敏電阻熱敏電阻器按電阻器的溫度系統數類，它可分為負電阻溫度系數(NTC)熱敏電阻器和正電阻溫度系數(PTC)熱敏電阻器。一般的電器多數使用負溫度系數熱敏電阻器，而一般的熱敏電阻器會用錳、鐵、鈾等金屬氧化物高溫燒結而成。當負電阻溫度系數熱敏電阻器中的溫度提升時，電阻值便會降低。相反，當正電阻溫度系數熱敏電阻器中的溫度上升時，電阻值便會同時增加。

發光二極管(Light emitting diode, LED)

發光二極管是一種半導體器件，它能將電直接轉換為光能，具有很高的電─光轉換效率。

發光二極管實際上也是半導體二極管，它的基本結構是一個PN 結。它處於正向偏置時和在正向電流刺激下，會產生光的幅射，從而發出光。LED 用的半導體材料一般有砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)和磷化鎵(GaP)。用砷化鎵做的發光二極管發射的光線是紅外線(不能用肉眼看見)，用磷砷化錠材料做的會發出紅光或黃光，而用磷化鎵做的則會發出紅光或綠光。

圖8.7：發光二極管

蜂鳴器(buzzer)

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圖8.8：蜂鳴器蜂鳴器是電路中的一個發聲裝置，和揚聲器不同的是蜂鳴器只發出單一的音頻。不論輸入蜂鳴器的是交流或直流電壓，只要達到蜂鳴器的額定電壓，它就會發出聲響。即使我們改變輸入的電壓或頻率，蜂鳴器也只發出一個音頻的聲音。

第九章電路理論(一)

學習目標：

- 認識分壓電路的原理

- 認識半波整流的原理

- 認識全波整流的原理

- 認識電感的原理

- 進一步了解毆姆定律

- 認識電功率

分壓電路

電位器是根據串聯電阻的分壓原理製成的器件。電位器的活動接點把電阻分成兩部分；改變活動接點的位置，就可以改變AC 和CB兩邊電阻的電阻值。如果把電位器接至電源電壓E ，根據串聯電阻電路，電阻上的電壓與電阻的大小成正比，那麼CB 兩點的電壓便隨著活動接點的位置而改變。當C 點移至A ，C 和B 間的電壓便等於E 。當C 點在AB 兩點的中間，CB 間的電壓便等於E 的一半；當C 移至B ，CB 間的電流便等於零。就這樣，利用改變活動節點的位置便可以調較電壓於零至E 伏特的範圍。也即是說，把電位器接到固定的電源電壓，便可從變接點的位置得到不同的電壓。

圖9.1：分壓電路

半波整流電路

圖9.2：半波整流電路及輸出訊號

上圖是一個簡單的整流電路，它由交流電源、二極管和負載組成。假設在電源電壓正半週時間內，電源的A 端為正，B 端為負，這時二極管內處於正向偏置而通電，電流很容易通過它，並通過負載。負載獲得的電壓與電源輸出的電壓相似。在電源電壓負半週時間內，電源的極性改變，A 端為負，B 端為正，二極管處於反方向偏置而截止，因此，沒有電流通過負載。結果在每一週的交流電源電壓，只有在正半週內，有電流通過負載。因此整流電路所得的電壓波形只有原來交流電源電壓正半週的部份，這種整流電路稱為半波整流電路。

全波整流電路

圖9.3：橋式整流電路

上圖是一個橋式整流電路(bridge rectifier circuit)，四個二極管分成兩組輪流將交流電正、負半週整流。假設交流電在正半週內時，電路中A 點為正，B 點為負，二極管D1 和D3 為正向偏置而通電，而D2 和D4 則為反向偏置而不通電。但當交流電負半週內，A 點和B 點極性互換，二極管D1 和D3 為反向偏置而不通電，而D2 和D4 則為正向偏置而通電。這樣無論在交流電正半週或負半週內，通過負載的電流方向都是一樣的。因此，整流電路所得的電壓波形具有原來交流電源電壓的正半週和負半週部份，這種整流電路稱為全波整流電路。

電感(inductance)

自從伏特於西元1800 年發明電池組以來，科學家有了電流穩定的電源，因而開啟一個新的研究領域。二十年後，哥本哈根的厄司特發現一個奇特的效應，使當時科學上的兩大神秘現象──電與磁，開始有了關聯。厄司特觀察到傳遞電流的金屬線會影響任何靠近它的羅盤指針。這項與當時正統科學相違背的結果，由厄司特發表在科學期刊上。法國科學家安培則從同事那裡得知這個新發現。安培起先很懷疑，所以動手重做一次厄司特的實驗，竟然得到與厄司特類似的結果。於是安培開始仔細研究這個現象，並試圖解釋電與磁的關係。

根據他重做的實驗，安培將厄司特的研究結果寫成數學公式，並用理論加以解釋。這個理論後來促成了電磁鐵與收報機的發明。電磁感應我們已知道當電流通過導線時，電流在導線周圍產生磁場，那麼，有沒有方法可以利用磁場的作用產生電流呢？在1831 年，英國科學家法拉第發現當導線在磁場中移動時，導線內就有電流通過，這種現象稱為電磁感應(electro-magnetic induction)。

要了解電磁感應這一現象，我們先來做個實驗：

取一根導線（長約一米的銅線），把它兩端接到一個微電流計（用來測量微弱電流的靈敏電流計）上，然後手持導線中間部分，使它在一個U 形磁鐵的磁場中作上下運動。當導線在磁場裡作上下運動時，電文字方塊:
圖9.4：一根導線在U 形磁鐵中上下運動時會產生電流流的指針發生偏轉，顯示有電流通過導線。指針偏轉的方向隨著導線在磁場中運動的方向而改變。又當導線靜止不動時，指針就返回原來「零」的位置，顯示導線在磁場中不移動時，沒有電流產生。

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圖9.5 當導線在磁鐵間移動時，它就好像刀一般割切磁場中的磁力線，所以導線在磁場中的運動稱為導線割切磁場。事實上，磁力線被割切並不一定是由導線在磁場中運動做成的，我們也可移動磁場，使其磁力線受到導線的割切，如圖所示。

又當導線和磁鐵都不移動時，導線雖然在磁場中但卻沒有割切磁力線。

根據實驗的結果，我們可得到一個結論：電磁感應現象是由於導線割切磁力線而產生的。我們知道在閉合電路中有電流流動，就必定有電動勢，因此在電磁感應現象的過程中，導線割切電力線時，導線便產生電動勢(induced e.m.f)。如果導線形成閉合迴路（電路）的話，感應電動勢起著電源的作用，使電路裡產生電流，稱為感應電流(induced current)。

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圖9.6：磁鐵插進閉合電路線圈時也會產生電流我們又可進行這個實驗：將導線繞成線圈，並在其兩端接上電流計，形成一個閉合電路，如圖所示。然後把一根條形磁鐵迅速地插進線圈內，這時電流計的指針發生偏轉，顯示線圈內有感應電動勢和感應電流。如果磁鐵插進線圈後就停留在線圈內，電流計的指針就返回到原來「零」的位置，說明了線圈內沒有電流通過。如果再把磁鐵從線圈內抽出，在這個過程中，指針又發生偏轉，不過，這次指針偏轉的方向與磁鐵插進線圈時的方向相反。從這個實驗我們看到當磁鐵在線圈內外運動時，線圈便有感應電動勢和感應電流。從磁鐵的磁力線來看：當磁鐵在線圈內外運動時，它的磁力線被線圈（即組成線圈的導線）所割切，而當磁鐵停留在線圈內不動時，線圈並沒有割切磁力線。所以，這電磁感應現象也是由於導線割切磁力線而產生。綜合以上兩個實驗可知，不論導線在磁場中運動（即導線割切磁場的磁力線），還是磁場在導線周圍移動（即磁場的磁力線被導線割切），都會產生電磁感應現象。

歐姆定律(Ohm’s law)

我們可以利用Crocodile Clips 軟件裝嵌出以下電路：

圖9.7：歐姆定律的測定

當我們開動開關掣後，便記錄電流計的讀數。前幾章我們學過在串聯電路中，電流處處一樣。這時，我們再看看電壓計記錄的電壓讀數，把三個電壓計分別讀得的數值除以它量度的電阻值，你會發現它們剛好等於電流的讀數。

再試試把三個電阻換作另外三個不同阻值的電阻，再進行以上的測試。這時電壓值除以電阻值又會等於電流的數值嗎？這時候，電流的數值應該會跟隨電阻的改變而變動。

接著試改變電池的電壓再試試。同樣地，電流的數值也會跟著改變。

電流、電壓及電阻的數值其實由一個定理互相關連著，在電子與電學裡，我們經常會使用這個定理。

V=I x R

這就是歐姆定律，電壓值(V)等於電流值(I)和電阻值(R)的積。

電功率(power)

在實際電路上，我們不一定要確實知道電流作了多少電功或某電器消耗了多少電能，但卻需要知道電流做功(work)的速率或某電路消耗電能的速率。衡量電流做功的速率的物理量稱為電功率 (electrical power)，用英文字母P 表示，單位是Watt (W)。

也就是說，電功率P 表示電流值在每單位時間內做了多少電功W ，在數學上的方程式則是：

W=P x t

同時，電功W=VIt ，代入以上算式後得出：

P=V x I.

人造衛星(satellite)

第四章 無線電傳送基本概念

第五章 家居電器、供電系統及印刷電路板

第六章 工場的安全措施

虎鉗(Vice)

鑽床(Drilling machine)

摺床(屈鐵機)

第七章 電子儀器的使用

分辨電晶體材料(鍺或矽)

分辨電晶體型態(PNP 或 NPN)

辨別電晶體E、B、C各腳

第八章 基本電子元件

第九章 電路理論(一)

電感(inductance)

歐姆定律(Ohm’s law)

第四章無線電傳送基本概念

第五章家居電器、供電系統及印刷電路板

第六章工場的安全措施

第七章電子儀器的使用

第八章基本電子元件

第九章電路理論(一)